冷焊技术焊接碳钢的工艺探讨

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冷焊技术焊接碳钢的工艺探讨

屈文洁，陈民昌，牟迪

（天津职业技术师范大学，天津 300222）

摘要：冷焊技术也叫做低热量输入焊接技术，这是区别于热焊接技术而言。近年来，制造业和工业朝着质量更轻、强度更高、韧性更好的方向发展，冷焊接技术恰恰在工业和制造业飞速发展之时为生产力和生产力量提供了强有力的技术支撑。本文从冷汗技术的概念和与热焊接技术的不同点角度出发，以热焊接过程易于出现气孔、金属溅出以及热变形等问题为切入点，详细研究了冷焊接技术的工艺特点，对现阶段冷焊接技术所实现的应用进行了研究。对高强度碳钢超薄板、碳钢薄壁件以及带镀层的碳钢薄板等3种典型的碳钢应用场景进行了焊接特点分析，并指出了热焊接工艺存在的问题。最后从3个方面探讨了碳钢冷焊接工艺存在的问题，以期指导于生产实践。

关键词：冷焊；焊接；碳钢

中图分类号：TG457.11   文献标识码：A   文章编号：1671-0711（2019）02（下）-00177-03

冷焊技术是一种非常有效的碳钢焊接工艺，非常适用于薄板焊接和轻型材料的焊接之中，船舶和汽车制造领域涉及到非常多的轻型材料和薄板材料，这项技术的应用对船舶和汽车的制造行业有着重要的意义。与热焊接技术相比，冷焊接工艺具有焊接碳钢变形量小、金属飞溅量少、气孔少等突出的优势。冷焊接工艺是一种少热量输入的焊接工艺，因此在冷焊接碳钢的过程中没有碳钢熔化飞溅的现象出现，因热量输入低而具有变形量

2017年天津市“大学生创新创业训练计划”项目，项目名称：标准焊接试样预热温控设备的研制(项目号：201710066050)。 表2

类型纯空气间隙

结构线路避雷器绝缘支撑间隙结构线路避雷器并联间隙雷击闪络限制器

优点运行可靠性高

缺点增加安装支架，施工难度高，安装姿态难以控制存在运行安全隐患容易引起线路跳闸

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小的特点。我国在碳钢冷焊接工艺的设计和调控上还有很大的空间。

1 冷焊技术的工艺特点

冷焊技术也叫做低热量输入焊接技术，这是区别于热焊接技术而言的。近年来，制造业和工业朝着质量更轻、强度更高、韧性更好的方向发展，冷焊接技术恰恰在工业和制造业飞速发展之时为生产力和生产力量提供了强有力的技术支撑。

现在，新型的碳钢已经摆脱了以前质量大、体积大的特点，逐渐向轻量化转型，新型的碳钢已经走进了各个行业，企业和高校对新型碳钢的材料研究和生产质量都投入了较前几年更大的精力，传统的钢铁材料已经无法满足产品的性能上增设“火花刺”，增加散流面积，可有效减低接地装置的冲击接地电阻，提高线路耐雷水平。针对沿线部分塔位环境受限、常规接地沟槽开挖困难、自然接地降阻效果不够的地区，建议采用无腐蚀导电材料的新型接地型式，通过在基础混凝土中按照一定配比加入无腐蚀导电材料，在不影响基础混凝土强度的情况下，提高其导电性能，从而达到不敷设水平接地体即可降低杆塔接地电阻至规定值的要求。第五，在部分地闪密度偏大的区域，适当采用雷击闪络限制器，进一步提高雷害易发生地区的输电线路耐雷水平。部署分布式无源光传感雷击监测系统，在变电站通信机房内安装主机，即可实现全线路雷击闪络信号的实时监测、智能分析及快速定位。4 结语

本文根据雷击跳闸率基本原理，对比平顶塔和猫头塔的雷击跳闸率。并根据实际情况给出了防雷的相关措施和建议。验证了理论计算的可行性。

安装比较方便具有引弧作用价格便宜可标准化安装，采用空

气间隙，性能可靠，能够快速切断工频续流

根据本工程实际情况，推荐防雷措施如下：第一，全线架设双避雷线。第二，单回路直线塔采用负保护角的平顶塔。第三，全线安装负角保护针，降低雷电绕击导线造成的雷击跳闸事故。第四，在部分土壤电阻率较高的地区，塔位环境受限、常规接地沟槽开挖困难的地段，建议采用沿基坑单独敷设接地体的新型接地型式。针对沿线部分土壤呈强或中腐蚀性，推荐采用玻纤复合石墨基柔性接地体及附着式接地引下线防腐装置，可有效防止土壤腐蚀。另外，通过在接地体

参考文献：

[1]黄福勇,周挺,王成.输电线路雷击故障查找探讨[J].湖南电力,2009,(6).

[2]邵天晓.架空送电线路的电线力学计算（第二版）[M].北京：中国电力出版社,2003.

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Research and Exploration 研究与探索·工艺与技术

要求和使用需求，逐渐被新型的碳钢所取代。这些碳钢的结构件厚度逐渐变薄，质量逐渐变轻，用常规的焊接方法很容易使碳钢产生热变形，因此热焊接技术如果控制不好热量的输入则对于碳钢的焊接结合强度和焊缝组织性能来说都是一种挑战。冷焊接技术则规避了热量注入而引发的热变形和热应力，使得碳钢在焊接的过程中在常温下进行，焊缝质量高，焊接结合强度也可以得到保证，尤其是在对薄壁碳钢的焊接过程及焊接质量具有重要的贡献。

冷焊接技术经过不断的研究已经有了一些应用，奥地利的一家材料公司对焊接工艺进行了大量研究，并研究出大量的创新性工艺成果，其中，冷金属过渡焊接技术是冷焊接工艺的典型代表，该公司长期集中精力研究无飞溅焊接技术，引弧微连接技术，在上述两种焊接技术逐渐发展并且成熟的基础之上研究和发展了冷金属过渡电弧焊接工艺，这种冷金属过渡电弧焊接工艺特点是温度低，温度低对两种结构参数有较大的影响，其一是焊接速度，其二是焊缝的晶粒生长速度和晶粒尺寸，这两个材料结构参数是影响焊缝性能的主要因素，是决定焊缝质量的重要参数。冷焊接技术在航空航天，船舶制造，汽车生产领域都发挥着重要的作用，但冷焊接技术也必然有其工艺上的缺点和弊端，对其工艺特点进行研究具有重要的理论意义和工业生产价值。2 冷焊接在碳钢中的应用

某课题组在对高铁上使用的碳钢进行冷焊接的工艺研究表明，冷焊接工艺相比于脉冲焊接工艺温度低，在碳钢的厚度较大时，采用多层数和多个焊道进行焊接时，焊缝的组织结构和质量相比于脉冲焊接更加优异，采用冷焊接工艺控制了热输入，使得晶粒长大过程变慢，晶粒的平均尺寸减小，以等轴晶的形式生长的晶粒区域显著扩大，与此同时还降低了碳钢焊缝的热影响区对焊接接头的力学性能影响。在氩气保护的实验条件下，对碳钢进行了冷焊接，研究了焊接过程的稳定性、焊缝形成的质量、焊接的效率以及焊缝及焊接后碳钢的综合力学性能。结果表明，激光对焊接过程中的焊接稳定性有较大的影响，激光使的电弧的挺度变大是焊接过程中稳定性好的直接原因。这种冷焊接工艺在提高了焊接过程稳定性的同时也使得焊接后的焊缝美观性提升，单面的焊接工艺完成了焊缝的双面成形，冷焊接的后对焊接接头进行结合强度、压痕实验、划痕实验等的结果表明，与TIG填丝焊等主流的热焊接技术相比，其硬度、强度、韧性和弹性模量也保持了较高的水准，在这种综合性能没有显著下降的情况下，冷焊接技术的焊接效率却有了显著提高，焊接效率增加了5倍之多，而冷焊接的焊接热量输入却减少至热焊接的一半以内。

2.1 超薄碳钢板材的焊接应用

（1）高强度碳钢超薄板。如上文所述，高强度碳钢薄板的焊接工艺可以选择热焊接工艺也可以选择冷焊接工艺，但首选冷焊接工艺。冷焊接设备可以通过数字控制使电源产生的电弧和送丝机产生的焊丝以最优的协同效果进行融合，在获得最佳溶滴效果的前提下以最低的电弧热量进行输入，这样可以显著减小高强度碳钢薄板的热变形和热应力，相比于传统的热焊接工艺具有无法比拟的优势，例如传统的MIG焊工艺和MAG焊工艺则存在较大的热量输入，易于在焊接高强度碳钢薄板时出现热变形。

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（2）碳钢薄壁件。工业的发展使得人们对碳钢的需求逐渐增加，在现代化企业的生产过程中，碳钢已经应用到每一个角落，碳钢容器的制造和生产、机械加工领域以及食品机械加工领域的碳钢材料以及钢管的制造行业都需要大量的碳钢的薄壁件，直接生产出复杂结构的碳钢薄壁件一方面受制于技术的局限性，另一方面也受到成本的制约，因此焊接工艺的选取决定了碳钢薄壁件的最终成形。碳钢薄壁件在焊接时就遇到了控制热变形、焊接工艺导致颜色改变以及焊接效率无法提高的问题，从这些问题的根源中可以看出，几种问题都和热输入量有关，降低焊接过程中的热输入量将有效地改善上述问题。实验表明，冷焊接过程可以显著改善碳钢薄壁件的焊接热变形量，保持焊接前后的颜色，提高焊接效率。

（3）带镀层的碳钢薄板。碳钢的生锈现象会引起碳钢表面被腐蚀，进而严重影响碳钢薄板的外观，甚至影响碳钢薄板的力学性能，因此在对碳钢进行保护时往往渗入一层铝或者渗入一层锌来防锈蚀，还有些碳钢薄板采用磁控溅射或者电弧镀的方式向碳钢薄板上镀一层薄膜，那么当这些带有镀层的碳钢薄板需要进行焊接时则需要谨慎的选择焊接工艺。在焊接带镀层的碳钢薄板时最关键的环节就是保护碳钢薄板的镀层，常用的热焊接工艺极易破坏镀层，因热焊接工艺的焊接过程热输入量大会提高碳钢薄板的表层温度，当温度升高到一定值时碳钢薄板表面的锌就会开始蒸发，这种锌的焊接氧化和蒸发现象会导致碳钢薄板焊接过程中产生气孔，导致熔合度变差并且有可能产生裂纹。减少热输入量的焊接技术可以满足带镀层的碳钢薄板焊接工艺要求，在保持较高的焊接质量的同时可以尽量降低碳钢薄板镀层的破坏。2.2 异种金属焊接

异种金属焊接在汽车制造、集装箱制造领域的应用场景逐渐变得丰富，碳钢和铝合金的焊接就是异种金属的焊接。其难点在于碳钢和铝合金熔点不同，密度有显著差异，在焊接时热膨胀系数不同，晶体学特征不同，力学性能也有较大差异。在这些区别的存在下，碳钢和铝合金在进行热焊接后很容易产生开裂，开裂的原因是由热膨胀系数不同导致的，因热膨胀系数不同，在加热焊接时碳钢和铝合金融合在一起，焊接结束后，碳钢和铝合金会逐渐降温，不同的热膨胀系数会导致碳钢和铝合金的体积收缩率不同，就会导致焊接接头的开裂。而导致焊接失败的另一个原因是碳钢和铝合金的晶体学特征不同，晶面间距、生长取向和晶粒大小都不同，这就导致焊接结合后碳钢和铝合金的焊接接头不能有很高的结合强度，导致焊接接头力学性能出现显著下降。而冷焊接工艺可以在获得最佳溶滴效果的前提下以最低的电弧热量进行输入，这样可以显著减小热量的输入，相比于传统的MIG焊工艺和MAG焊工艺等热焊接工艺具有无法比拟的优势。3 结语

从冷弧焊的工作原理来看，目前还有许多关键技术有待突破，其系统设备复杂、成本高、难于推广，在送丝控制上没有给予足够的重视。综上所述，由于冷焊工艺的复杂性，技术有待成熟，需要解决的关键技术有以下几方面。

（1）精确、可靠的波形协同控制技术，确保在熔滴过

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基于新能源协同发展的电网规划关键技术探讨

朱思曈1,姜浩潍2

（1.沈阳农业大学，辽宁 沈阳 110086；2.辽宁省实验中学营口分校，辽宁 营口 115000）

摘要：文章界探讨我国风能发电与太阳能光伏发电这两种新能源形式的发展现状，分析了新能源协同发展的背景下，新能源大规模接入对电网系统的影响，提出在电网规划中如何消除新能源接入不利影响的具体措施，希望通过电网规划的科学性来提高新能源的协同发展。

关键词：新能源；电网规划；并网技术

中图分类号：TM715   文献标识码：A   文章编号：1671-0711（2019）02（下）-00179-02

我国的新能源发展很快，尤其是光伏和风电。在电网规划中要考虑到新能源的协同发展，促进新能源有序建设、合理规划，避免新能源大规模接入对电网的冲击性影响，提供电力企业的投入产出效益，更好的促进新能源可持续发展。1 新能源概述1.1 新能源的含义

常规能源是指技术上已经成熟，并且已经得到推广的能源，如大中型水电、天然气、石油以及煤等都属于常规能源。新能源指的是除去常规能源之外的多种能源形式，又可以称为非常规能源，是当前正在积极研究、正在开发利用的仍处于推广状态的能源，例如核聚变能、生物质能、海洋能、风能、地热能以及太阳能等。1.2 当前主要的新能源形式

根据当前的技术发展水平，电力系统、电力规划中以太阳能发电与风电发电为主要发电形式。我国高度重视太阳能发电技术，不断加大对这种新能源的规划、研究与应用，由于相关政策的支持，2013年后我国的光伏发电呈现跨越式发展。就风力发电而言，世界各国都较为重视这一风能的重要利用形式。近年来我国的风电也呈现出迅速发展的趋势。对风力发电的技术以及形式的关注程度正在不断加大，一系列研究也随之展开，呈现出不断深化、提高的发展趋势。总的看来，各种新能源都具有广阔的发展空间与重要的应用价值，随着科学研究的不断加深，这些新能源在各个领域中都将发挥极高的应用价值。2 新能源接入对电网的影响

新能源的发电出力特点是具有极强的随机性，新能源

并网后，一旦出现出力变化，将引起电网发生频繁波动的潮流，影响电网系统调度、电网系统经济性、可靠性及安全性。2.1 对电网稳定性的影响

如果地区电网足够强壮，则系统发生故障后，风电机组或光伏电站在故障清除后能够恢复机端电压并稳定运行，地区电网的暂态电压稳定性便能够得到保证；如果地区电网较弱，则风电机组或光伏电站在系统故障清除后，无法重新建立机端电压，风电机组运行超速失去稳定，就会引起地区电网暂态电压稳定性的破坏。2.2 对电网潮流的影响

光伏电站、风电等新能源，尤其是大容量的风电场接入电力系统后，风电场向系统发出有功功率，吸收无功功率，改变了传统的电源功率单向流动的特点，因此在电网规划中，有必要研究新能源电源接入电力系统后的潮流。2.3 对电网调度的影响

传统的发电计划基于电源的可靠性以及负荷的可预测性，以这两点为基础，发电计划的制定和实施有了可靠的保证。但是系统内含有风电场或光伏电站，其出力有极大的随机性，如果把风电场或光伏电站看作负的负荷，很难准确测定；如果把风电场或光伏电站看作电源，可靠性没有保证。一般而言，地区负荷特性往往与风电场风电功率特性相反，称之为风电的反调峰特性，导致大规模风电接入后往往会增加电网调度的难度，需要电网留有更多的备用电源和调峰容量，这将给电网带来附加的经济投入，增加电网运行的费用。3 做好新能源协同发展的电网规划

电网规划是一项相对复杂的工作，在进行规划的过程

渡时电流为零。

（2）稳定、兼容性强的送丝方式。针对 Fronius 存在焊枪上回抽易导致焊丝折断的缺点，必须研制出能够长期稳定、可靠工作，且能兼容各种尺寸焊丝的送丝机。

（3）针对目前冷焊送丝机结构复杂、兼容性差、价格昂贵的缺点，需研制出性能更好、成本更低、兼容性更强的送丝机。

参考文献：

[1]徐庆钟,李方义,秦顺顺,马石磊.冷焊工艺参数对HT250表面修复层性能的影响[J].机械工程学报,2013,49(07):101-105.[2]杨新华,宋丽平,王艳芳.灰铸铁HT250电弧热焊与冷焊工艺对比研究[J]. 热加工工艺,2013,42(05):172-174.

[3]徐庆钟.冷焊技术在发动机再制造中的应用试验研究[D].山东大学,2012.

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